（机械电子工程专业论文）数字化焊机控制系统优化设计.pdf

摘要 摘要 随着焊接技术、控制技术以及计算机信息技术的发展，对于数字化焊机系统 的研究己经成为热点，因此本文开展了对数字化i g b t 逆变焊机控制系统优化设 计的研究工作。 数字化焊机系统的主电路采用能输出较大功率的i g b t 全桥式逆变结构，控 制系统采用d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 ) 为控制核心。在数字化电源控制系统中，d s p 完成 焊接实时参数的采集、p i 运算和p 1 】l m 波形的产生，从而控制i g b t 的通断，组成 了一个闭环控制系统，简化的电源控制系统硬件电路。在控制系统软件设计中采 用了模块化的程序设计思想。在规划出整个主程序流程的基础上，把整个程序分 为多个结构简单、功能明确的子程序来设计，从而大大降低了系统软件设计的复 杂性，同时也使程序结构清晰、简单易懂。 在数字化送丝系统中，以m o s f e t 实现送丝电机的功率驱动，d s p 完成了送 丝电机速度反馈的控制，模糊p i 的运算和p w m 波形的产生。采用了转速负反馈 方式对送丝电机进行闭环控制，实现数字化送丝控制系统。 通过对控制系统的各个功能模块进行软、硬件调试，控制系统得到了优化， 系统响应速度变快，电路得到简化，系统软件较高效、可移植性好，送丝系统具 有优良的静态和动态性能，达到了本设计的要求。 关键词数字化焊机；d s p ；模糊p i ；数字化送丝 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t so fw e l d i n gt e c h n i q u e ，c o n t r o lt e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h ed i g i t a lw e l d i n gm a c h i n es y s t e mi sv e r yp o p u l a rt ob er e s e a r c h e d s o ，i nt h i sp a p e r , t h eo p t i m a l d e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mi nd i g i t a li g b ti n v e r t e rw e l d i n gm a c h i n ei ss t u d i e d i nt h es y s t e mo fd i g i t a lw e l d i n gm a c h i n e ，i g b tf u l l - b r i d g ei n v e r t e rs t r u c t u r ei sa d o p t e di n m a i nc i r c u i t s ，a n dd s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 ) i sa d o p t e da st h ec , o l eo fc o n t r o ls y s t e m d s pa c h i e v e s t h ec o l l e c t i o no fr e a l - t i m ew e l d i n gp a r a m e t e r s ，p ic a l c u l a t i o na n dp w mg e n e r a t i o n ，t oc o n t r o lt h e o n - o f fo fi g b t , s o ，f o r m sac l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e m ，a n dg r e a t l ys i m p l i f i e st h eh a r d w a r eo f t h e p o w e rc o n t r o lc i r c u i t t h em o d u l a rp r o g r a m sd e s i g nm e t h o dw a sa d o p t e di nt h es o f t w a r ed e s i g no f t h ec o n t r o ls y s t e m o nt h eb a s eo ft h em a s t e rp r o g r a mf l o wi sp l a n n e d , t h ew h o l ep r o g r a mi s d i v i d e di n t os e v e r a ls i m p l ea n ds p e c i f i cs u b p r o g r a m s t h e r e f o r e ，t h es o f t w a r ed e s i g no fs y s t e mi s g r e a t l ys i m p l i f i e d ，a n dt h ep r o g r a m s t r u c t u r ei sc l e a ra n du n d e r s t a n d a b l e i nt h ed i g i t a lw i r ef e e d e rs y s t e m , m o s f e ti su s e dt od r i v et h ew i r ef e e d i n gm o t o r , a n dd s p i su s e dt oc o m p l e t et h ec o n t r o lo fw i r ef e e d i n gm o t o rs p e e df e e d b a c k , p ic a l c u l a t i o na n dt h e g e n e r a t i o no f p w mw a v e f o r m 。t h es p e e dn e g a t i v ef e e d b a c ki sa d o p t e dt oa c h i e v e t h ec l o s e d - l o o p c o n t r o lo fw i r ef e e d f i n a l l y , t h ea l l - d i g i t a lw i r ef e e d i n gs y s t e mi si m p l e m e n t e di nt h i ss t u d y i nt h ec o n t r o ls y s t e m ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l ei sd e b u g g e d t h er e s u l to fd e b u g g i n gs h o w st h ec o n t r o ls y s t e mi sg r e a t l yo p t i m i z e d ，t h es y s t e mr e s p o n s e s q u i c k l y , t h ec i r c u i ti ss i m p l i f i e d ，t h es y s t e ms o f t w a r eh i g l l l ya c t i v c sa n dh a sb e t t e rp o r t a b i l i t y , t h e w i r ef e e d i n gs y s t e mh a sg o o ds t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e t h er e q u i r e m e n t so ft h i sd e s i g na r c r e a c h e d k e y w o r d sd i g i t a lw e l d i n g m a c h i n e ；d s p ；f u z z yp i ；d i g i t a lw i r ef e e d e r i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 豕瘸 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第1 章绪论 1 1课题背景 第1 章绪论 焊接作为金属连接的一种工艺，具有其它连接方法不可比拟的优点，尤其近 一个世纪以来，随着高新技术的出现，特别是计算机和电力电子技术的出现和发 展，更给焊接技术注入了新的生机和活力，使其作用得到了淋漓尽致的发挥，从 而在石油、化工、电力、机械、制造、航空、宇航乃至核工业等领域都得到了广 泛应用n 1 。随着电子、信息、自动化、人工智能、新材料为核心的新一代工程技 术的迅猛发展，先进制造技术业得到了飞速的发展。在2 1 世纪，焊接技术作为 先进制造技术的一个重要组成部分，仍将在制造业中起着极为重要的作用乜。3 1 。 电焊机是实现焊接的最重要的设备，工业发达国家每生产l 万吨钢就需要相 应生产2 0 2 5 台电焊机。所以，电焊机性能的好坏、先进与否是一个国家工业 发达与否的决定因素之一h 1 。 随着技术的进步，材料科学的发展，焊接加工所涉及的范围越来越广泛。一 方面是由于冶金技术的不断发展，既有新材料的不断出现，又有旧材料的不断优 化改善，焊接工艺成为许多新材料大量使用的关键技术，另一方面许多工程应用 中对焊接工艺提出了更高的要求，如高速焊接问题、高效焊接问题、飞溅问题、 引弧问题等等【2 】。焊接技术必须全力发展以跟上材料的发展及设计上的要求，同 时必须提高焊接工艺的经济性来适应社会的发展。 迄今所有的焊机类型中，数字化焊机是最先进的。从焊机的工艺效果来看， 由于数字化焊机具有控制策略调整灵活、控制精度高以及控制参数稳定性好的特 点，它具有更好的工艺稳定性和更好的工艺效果。同时，数字化焊机方便的通讯 接口功能为现代化的网络化生产提供了良好的硬件基础。从弧焊工艺研究的角 度，数字化焊机为实施创新性的工艺控制策略和实现多功能提供了全新的途径。 而数字化焊机的在线控制程序升级功能，为新控制策略的实施提供方便、快捷的 途径。而送丝机作为电焊机的重要组成部分，数字化送丝机的研究一直是焊接设 备研究的一个重要内容。 因此，研究和发展电焊机的数字化控制技术意义重大。 1 2 数字化焊机的特点 数字化电焊机主要由焊接电源和送丝机两部分组成。 北京工业大学t 学硕十学位论文 1 2 1数字化焊接电源的特点 随着电力电子技术、微电子技术、智能控制技术的发展，控制性能好、动态 响应快的焊接电源，以及能够快速进行复杂控制算法运算的d s p 和微控制器的 出现使得实现数字化焊接成为可能。数字化焊机是数字信号处理技术和焊接工艺 结合的产物。 由于数字化焊机出现较晚，目前尚未有对数字化焊机的一个统一的定义。北 京工业大学的殷树言教授等科研工作者在对数字化焊接进行研究后对数字化焊 机提出的定义1 是：“所谓数字化焊机应当是指这样一些焊机，它们主要的控制 电路由传统的模拟技术直接被数字技术所代替，在控制电路中的控制信号也随之 由模拟信号过渡到0 1 编码的数字信号。 同时，殷树言教授还指出只有从参数 设定、焊接参数反馈采样、p i 控制，一直到可控硅触发脉冲的发生都是由数字 电路完成的直接数字化才是真正意义上的数字化。 1 2 1 1 数字化焊接电源的实现主电路的数字化：焊接电源从模拟式焊机 发展到开关式焊机，实际上是完成了焊接电源从模拟到数字化的跨越。模拟焊机 中晶体管组在回路中的作用相当于负载的串联电阻。晶体管组工作在放大区，焊 接中不需要的电压消耗在晶体管组的集射极之间，因此功耗极大。数字化焊机中 晶体管组工作在开关态，半导体开关按照某一固定频率周期性地开通关断( 本课 题中开关频率2 0 k h z ) ，由于采用i g b t 、m o s f e t 或双极性晶体管等作为开关器 件，其开关损耗相当小，同时由于开关器件多为电压驱动型，所需驱动电流极小， 控制电路只需要几瓦的功率就可以满足要求。开关电源另一个优点是它的工作频 率高。开关电源的工作频率越高，则回路输出电流的纹波越小，响应速度就越快， 因此焊机就获得了更好的动态响应特性。 控制电路的数字化：数字信号处理由模拟信号的滤波、模数转换、数字化 处理等环节组成。对于数字化处理环节，可以选用处理器、通用微处理器、微控 制器三类作为处理芯片。在工业控制中应用比较普遍的是微控制器和数字信号处 理器。微控制器具有较强的事件处理能力，中断、i o 资源丰富，开发的软、硬 件条件比较好。但它的数据处理能力较弱，在实时性、数据处理量大的系统应用 中不能胜任。数字信号处理器就是在硬件、软件和指令集等方面经过优化以适应 数值处理应用的一类处理器呻1 。d s p 的应用是实现弧焊逆变数字化控制的关键。 数字化焊机可以分为功率和控制两部分。功率部分与常规弧焊逆变电源相同。控 制部分以d s p 和单片机构成的双机系统为核心。从控制的角度，d s p 是主要的 处理芯片。电流和电压经过采样，由d s p 内部模数转换模块进行a d 转换后读 取反馈值。电流、电压的给定值则由控制面板输入，经过单片机传送给d s p 。 d s p 则根据电流、电压的给定量与反馈量进行运算，得到相应的i g b t 导通时间， 第1 章绪论 产生p w m 脉冲序列控制主电源的输出。 人机交互系统的数字化：人机交互系统是人机最直接的操作界面，是操作者 向计算机输入信息、发出指令及观察现场参数和信息的窗口，具有友好性、灵活 性、功能性、明确性、致性、可靠性等特点。采用键盘输入和液晶显示作为人 机交互的接口体现了数字化的优势，不仅使参数的设置方便、直观，而且使焊接 方法选择和参数设置也具有了一定的人性化睁1 3 1 。国外在这一领域起步较早、发 展较快，许多研究成果已经产品化并投放市场，近年来一些国外产品将液晶显示 技术与键盘选择相结合，提供了的焊接方法和焊接工艺参数设置与修改界面，不 仅使参数的设置更精确、直观，而且用户操作简单方便，特别是对于多功能焊机， 使其功能更加丰富。设计人机交互系统的主要目的是便于操作者和焊接电源控制 系统进行信息交流，操作者可以对焊接过程进行监视和控制。在人机交互系统的 设计当中选用菜单模式作为人机交互系统的基本构架。菜单式系统最显著的特点 是实现了人性化的控制。通过菜单式系统所实现的人机交互，操作者可以使用键 盘作为信息交流的手段，非常方便的与焊接电源的控制系统进行对话。在此基础 上，由键盘输入和液晶显示等直观输入、输出设备构成的数字化的接口，使得不 仅具有友好的人机对话界面，使焊接方法和焊接工艺参数的设置和修改既简单又 方便，而且工作稳定可靠，利用菜单式系统，操作者可以进行焊接工艺的选择和 焊接参数的输入和调整，监视整个焊接过程的进行，而且在焊接过程中，操作者 可以根据实际的焊接情况实时调整焊接过程的参数n 4 。1 引。 1 2 1 2 数字化焊接电源的优点数字化焊机与模拟式焊机相比，具有以下 一些优点： ( 1 ) 系统灵活性强对于模拟系统，系统的配置和增益由阻容网络等硬件参 数所决定，一旦确定就很难改变。而对于数字系统，这一切仅仅是改变软件而己。 对于数字化焊机来说，灵活性意味着同一套硬件电路可以实现不同的焊接工艺控 制，对于不同焊接工艺方法和不同焊丝材料、直径可以选用不同的控制策略、控 制参数，从而使焊机在实现多功能集成的同时，每一种焊接工艺方法的工艺效果 也将得到大幅度的提高。 ( 2 ) 系统稳定性强在模拟系统中，信号的处理是通过有源或无源的电网络 进行的，处理参数的设定通过电阻、电容参数的选择来完成。这样在模拟系统中 阻容参数的容差、漂移必然导致控制器参数的变化，一方面模拟控制的温度稳定 性较差，另一方面模拟控制时的产品一致性难以保证。而在数字化控制中，信号 的处理或控制算法的实施是通过软件的加减、乘除运算来完成的，因此其稳定 性好，产品的一致性也得到了很好的保证。 ( 3 ) 控制精度高模拟控制的精度一般由元件参数值引起的误差和运算放大 器非理想特性参数( 如a d 、a c m 、u o s 、1 0 5 、噪声等) 引起的误差所决定。而数 北京t 业大学t 学硕士学位论文 字化控制的精度仅仅与模一数转化的量化误差及系统有限字长有关，因此数字化 控制常常可以获得很高的精度。 ( 4 ) 接口兼容性好由于数字化焊机大量采用了单片机、d s p 等数字芯片， 因此p c 机与数字化焊机、数字化焊机与机器人以及数字化焊机内部的电源与送 丝机、电源与水冷装置、电源与焊枪之间的通讯接口就可以非常方便地实现。相 信随着现代焊接生产网络化管理的发展和普及，数字化焊机以其良好的接口兼容 性必然会发挥越来越重要的作用。 1 2 2 数字化送丝机的特点 一套完整的送丝系统由二部分组成机械部分( 包括驱动电机及机械传动 装置) 和控制电路。目前，送丝机的驱动电机广泛采用直流伺服电机或转动力矩 大、电枢惯性小的印刷电机，而传动装置多采用两轮或四轮压紧机构。在现有的 技术条件下，无论是提高电机性能，还是改造传动装置都将是一个长期而艰巨的 任务，因此送丝机控制方式、控制算法和控制电路的研究就成为了快速提高送丝 机性能的有效途径n 。 对于直流电机而言，对其速度进行控制的主要方法是改变电枢电压，即改变 电枢电流的方法。通过调节电枢电压，就可以实现调节送丝速度的目的。反之， 为实现送丝速度的稳定，就必须使电枢电压随负载转矩或送丝速度的改变而自动 调整和变化。 控制方式上，在模拟控制方式中，控制电路参数的设定是通过电阻、电容参 数的选择来完成。这样其阻容参数的容差、漂移必然会导致控制电路参数的变化。 而且，模拟控制器件的温度稳定性较差，产品一致性也难以得到有效保证。另外， 采用模拟控制系统所构成的产品，其接口兼容性较差。随着数字化焊接电源的发 展及应用，对送丝机的控制方式也提出了新的要求，特别是随着现代焊接生产管 理的网络化和机器人操作的无人化、自动化，对送丝机控制的灵活性及接口兼容 性提出了更高的要求n 鲫。 在送丝电机的控制中引入数字化控制技术，可以显著改善送丝速度的稳定 性，并实现与数字化焊接电源的接口。 图卜l 为典型的单片机控制的数字化直流伺服电机闭环调速系统结构框图。 其工作过程为： 第1 章绪论 图1 1 单片机控制的直流电机调速框图 f i g 1 - lt h ed i a g r a mo f d c m o t o r ss p e e dr e g u l a t i o n 单片机( m c u ) 输出p w m 脉冲，经过光电隔离以减少干扰，进入功率驱动部 分，通过功率模块提供给电枢以控制电压，使电机以一定的速度运动。 通过转换和隔离，将转速信息送回m c u ，通过一定的算法计算后，单片机输 出一定大小占空比的p w m 脉冲，以保证送丝电机获得稳定的转速。由于电机的转 速信息最为直接地反映出电枢电压、电流及电磁转距等参数，所以采用转速反馈 方式比采用电压或电流反馈方式能获得更直接、全面的控制效果。 同时，还可以通过方向信号的输出来控制电机的转向，因而具有极大的灵活 性。 因此，可根据不同的焊接工艺要求，用软件编程即可实现送丝机的速度控制。 实现启、停，回抽，等速或脉动送丝等方式。同时，对由于电压波动或送丝阻力 变化所引起的送丝速度变化，通过一定的控制算法来调节p w m 脉冲的占空比，以 补偿电压或阻力所引起的速度变化，以保持送丝速度的稳定。 1 3 国内外数字化焊机的研究现状 1 3 1国外数字化焊接电源的研究现状 从8 0 年代至今，计算机技术的大量使用是焊接设备另一个重要的发展变化。 得益于大规模集成电路技术的发展，尤其是现代计算机技术的数字信号处理技术 的发展，微控制器( 单片机) 、p l c 、d s p 等数字化芯片被大量地使用，以完成焊 接设备管理、波形给定、闭环控制、通讯等功能。计算机技术地应用给焊接设备 地发展带来了革命性地变化。 但是，由于计算机技术在焊接设备中应用地复杂性( 焊接工艺过程的实时性、 非线性以及焊接环境的高电磁干扰，目前我国还没有掌握当前世界上最先进的焊 接设备全数字化控制技术，同时这种技术在全球也仅仅为少数几家全球知名的焊 北京t 业大学t 学硕十学位论文 接设备制造商所掌握，最具有代表性的如奥地利f r o n i u s 公司生产的 t r a n s p l u ss y n e r g i c 系列t p s 2 7 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 全数字化焊接电源。它的心脏 部分是一个数字信号处理器( d s p ) ，由它集中处理所有焊接数据，检测和控制整 个焊接过程，焊机具有引弧、精确控制电弧、专家系统、一机多功能、焊接数据 接u 和评价系统等等n 副 德国c l o o s 公司的q u i n t o 系列全数字智能化焊接电源和e w m 公司生产 的i n t e g r a l 系列数字化焊接电源，数字处理系统处理所有焊接数据，控制整 个焊接过程，同样具有专家系统、一机多用、计算机或网络通信、模块化设计、 焊接数据的存储和分析系统等功能。日本的o t c 公司推出的型号为d p 3 5 0 的数 字化焊机，是一种全数字控制脉冲逆变焊机，其数字化焊接电源的控制部分由单 片机和d s p 共同构成，对给定信号流、参数反馈流和网压信号流作综合处理与 运算、控制，达到焊接电源的数字化、信息化、柔性化的控制，可以焊接各类碳 钢和低合金钢、不锈钢、铝及铝合金等。适应m i g m a g c o z 等多种焊接方法。 主要性能：最新的数字化脉冲波形控制技术；数字化飞溅及熔滴过渡控制；恒弧 长控制、熔深控制技术；可以存储1 0 0 个焊接条件；与机器人控制或者p c 的通 信接口；伺服拖动的四轮送丝机；数码显示焊接电流及电压。p a n a s o n i c 等公司 也推出了数字化焊接电源产品，并相继进入中国市场。 这些数字化焊机中所提到的专家系统也就是将众多的焊接规范以数据库的 形式存储到计算机中，这些焊接规范都是成功的经验数据。每一条数据都包含诸 多信息，如焊接方法、被焊材料、板厚、坡口形状、焊丝直径、送丝速度、焊接 电流、焊接电压等。当操作这输入某几项参数后就可以查询到最佳的焊接规范， 通a d 或d a 把这焊接规范转换成焊机的给定信号以控制焊接设备的运行。 1 3 2国内数字化焊接电源的研究现状 在国内，数字化焊接电源尚处于研究阶段，一些高校和科研机构已在这方面 展开了工作，如北京工业大学的殷树言教授、刘嘉等人在研究分析了弧焊逆变电 源数字控制应用的基础上，结合d s p 技术和嵌入式系统的发展的成果，选用 a d s p 2 1 8 1 和c 1 6 7 c r 设计实现了国内第一台数字化弧焊逆变电源。兰州理工大 学的李鹤岐教n 踟授等人，分别采用双机结合与单纯的d s p 这两种方案对数字化 控制系统进行了研究，并研制出了一台全数字的脉冲m i g m a g 逆变式焊接电 源。上海交通大学焊接研究所1 9 9 9 年提出了数字化焊接电源研究课题，并进行 了较深入的研究，取得了一些成果，并己成功地把数字信号处理器应用在熔化极 气体保护焊接电源系统的控制并己成功实现了商品化的数字化可控硅焊接电源， 取得了较好的经济效益。但目前国内数字化焊接设备的研究基本处于实验室研究 第1 荦绪论 成果或试验阶段，成功用于焊接生产示例的较少。北京时代科技股份有限公司是 国内唯一一家具有数字化焊机产品问世的国内企业。目前已有直流手工电弧焊机 系列、直流氢弧焊机系列、半自动气体保护焊机系列等数字化焊机。 在发展数字化焊接和生产数字化焊接设备方面，我国许多科研院所已经做了 大量的工作并取得了较好的成果。但是不得不承认，在国内的焊接生产重要领域， 仍大量采用国外的数字化产品。我们的数字化控制产品在技术成熟度、稳定性、 功能、可靠性方面以及在多电弧高速焊中的协调控制方面尚需要进一步完善。在 以数字化控制模式、特性进行建模、仿真，对相应的关键技术与开发应用，包括 数字化控制的技术方案( 单纯的d s p 、d s p m c u 双机、a r m ( 嵌入式) 比较分析 综合应用方面进行更加深入研究。 因此，进行弧焊逆变电源数字化控制的研究将具有非常重要的意义。其一， 提高我国弧焊电源的数字化控制领域的研究水平和应用水平。其二，提高国产焊 机的国际竞争力，改变国产高档焊机落后于国际水平、缺少市场竞争力的现状。 1 3 3 国外送丝机的研究成果及产品介绍 伴随着数字化焊接电源的研究、生产和应用，送丝机的控制方式也应得以变 革，传统的模拟控制方式正逐步被数字控制方式所取代。特别是随着全数字化焊 接电源研究热潮的兴起，数字化送丝机的研究开发已是大势所趋。 国外数字化焊接电源的研究始于上世纪九十年代，奥地利的f r o n i u s 公司在 1 9 9 8 年正式提出数字化焊机的概念，并以“数字化革命的口号推介其产品。 其它一些知名焊机公司，如o t c 、p a n a s o n i c 等公司紧接着也推出各自的数字化 系列产品。 目前，与数字化焊机相配套的数字化送丝机也都实现了系列化和产品化。 新型数字化送丝机都是基于微处理机程序控制，采用速度反馈调节方式，能 在送丝机中预置多套控制程序。送丝机能根据不同的指令要求，启动不同的控制 程序来完成不同的控制要求。 最有代表性的是f r o n i u s 公司的数字化送丝机，其代表性的产品是v r 4 0 0 0 和v r - 4 0 0 0 c 系列。采用单片机作为控制器，使用5 5 v 的直流电机，适用0 8 m m 1 6 m m 的焊丝。送丝速度范围为o 5 m m i n - - 2 2 m m i n n 引。 在整个焊接过程中，操作者只需操作面板按键，即可启动程序来控制送丝机 的动作。 它还采用4 8 5 总线方式与d s p 中央控制单元进行通信联络。根据d s p 的指 令对直流电机进行启、停控制及速度调节。 另一个有代表性的是m i l l e r 公司的7 0s e r i e s 和s 3 2 系列汹1 。它采用2 4 v 直 北京工业大掌工字坝士学位论文 流电机，用微处理器作控制器，通过操作面板进行参数编程来调用其内置的多套 脉冲焊程序。在单、双丝模式方式下，对0 6 - - - 3 2 r n m 的焊丝，送丝速度可达1 3 - - - 19 8 m r a i n 。 在双丝模式下，还可以通过编程让两边的焊丝为不同的焊接方式。图1 2 为 m i l l e r 公司的7 0 序列送丝机面板图。 s 7 呱i e d e l 譬璃州s 加d 矗 1 p 哪m 璜咖 2 - p f o m m ，s 蝴 1 w e s 咖e 咐 t v o i 切a 咖m e & l f l v 峋娟腿 噙岫岫 w nf e e d a 哪豫s e l e c t ，w hs d e e 甜 j l n p e 哗d i 咖 懒盯 c l m f l 嘶o i t 哂孵h _ 帅旧 5 c i e d u l ec o o i 删 住j o 口f 9 哪e o 蛔 e 坠 二 口“弘 枷 群 _ f 00 嘻- 和尝 尸_- - o 1 v 啊l i g e 随嘲 m 融管 2 w i ms d 倒 d i s d b ym e w j w i r ef e 叫 s d 咧锄缸 4 t n g g 日h o l d i , v o l t 叼es e m “ g , j o p w g e 啪母删砷 协嘲f _ 带 图1 - 2m i l l e r 公司的s 7 0 送丝机面板图 f i g 1 2c o n t r o lp a n e lf o rm i l l e r ss - 7 0 1 3 4 国内数字化送丝机的研究现状 国内对数字化焊接设备的研究虽起步较晚，但仍然取得较大进展。目前，北 京工业大学焊接设备研究所已经研制出全数字化c 0 2 气体保护焊机的实验样 机。其它一些高校，如上海交通大学等单位也在数字化焊接电源研究方面取得较 大进展。 但是，现阶段国内对数字化焊机的研究还主要集中在如何实现主控制电路的 数字化，以及数字控制器算法等方面。数字化焊机作为一个独立的控* j j d , 系统， 它还需要在人机交互、电弧控制和送丝速度调节之间建立起一种协调统一的时序 关系。这必然要求把送丝机也纳入数字化控制的范畴。 目前，国内对送丝机的数字控制部分采用专用的p w m 控制芯片，通过芯片 输出不同占空比的脉冲来调节电机两端的电枢电压，从而达到调节送丝速度的目 的。采用的p w m 控制芯片主要有t i _ a 9 4 ，s g 3 5 2 5 ，u c 3 6 3 7 等。部分采用单片 机作为控制器进行送丝机的数字化控制。总体来说基本满足数字化送丝需要，但 是在硬件，送丝稳定性及送丝调速动态相应方面还可以得到改善和提高。 8 第1 章绪论 1 4 本课题的主要研究内容 本课题的研究内容是将实验室现有的数字化焊机的控制系统进行优化设计， 采用t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 作为控制核心。主要包括以下几个方面： ( 1 ) 对原来的数字化焊机控制系统进行改进，设计一个以t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 为核 心的数字化控制系统。优化设计电源控制系统硬件电路，并编写了控制 程序。 ( 2 ) 设计送丝系统的驱动电路，对送丝调速闭环系统进行改进，简化硬件电路， 并采用模糊p i 控制方法，用软件编程的方式提高送丝系统的静态和动态性 能。 第2 章送丝控制系统优化设计 第2 章送丝控制系统优化设计 送丝系统的稳定性和可靠性直接影响着气体保护焊的焊接质量，而提高送丝 系统性能的主要途径是通过改进送丝机的硬件性能和控制方法来实现。同模拟控 制方式相比，数字控制方式可以采用更加灵活多样的控制算法进行控制，通过编 码器直接获得送丝速度反馈，提高了控制的精度。因此，数字化送丝系统在控制 精度、稳定性和一致性等方面较模拟控制方式均有显著提高。本课题以 t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 为核心控制芯片，采用模糊p i 调节控制技术，建立一套数字化送 丝系统。 2 1d s p 控制系统硬件电路 2 2 1t m s 3 2 0 f 2 8 0 8d s p 简介 本控制系统采用t i 公司最新推出的3 2 位d s p t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 。t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 数字信号处理器是t i 公司最新推出最高频率可达1 0 0 m h z 的3 2 位定点d s p 控制器，是目前控制领域最先进的处理器之一，它具有精度高、速度快、集成度 高等特点，方便电机控制，电力设备控制及工业控制等该芯片内部集成了6 4 k b 的闪存，可用于开发及对现场软件进行升级的简单再编程，同时，t i 公司提供 的c 语言编译器效率非常高，完全可以采用高级语言编写系统程序，从而降低 了系统开发难度，提高了开发效率。 图2 1t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 的功能框图 f i g 2 - if u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo f t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 北京t 业大学t 学硕十学位论文 图2 1 所示为t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 功能框图，归纳起来具有以下特点： ( 1 ) t m s 3 2 0 f 2 8 0 8d s p 采用高性能的静态c m o s 技术，低功耗设计； ( 2 ) 支持j t a g 边界扫描接口； ( 3 ) 高性能的3 2 位c p u ，支持1 6 x 1 6 和3 2 x 3 2 位的乘累加操作； ( 4 ) 6 4 kf l a s h , i ko t pr o m ，1 8 ks r a m ； ( 5 ) 支持动态改变锁相环的倍频系数，具有看门狗定时模块； ( 6 ) 三个外部中断； ( 7 ) 外设中断扩展模块( p i e ) 支持4 3 个外设中断； ( 8 ) 三个3 2 位c p u 定时器； ( 9 ) 1 2 8 位的密码保护，保护f l a s h o t pr o m 和l o l 1s r a m 中的代码，防止系 统固件被盗取； ( 1 0 ) 独立的增强型p w m 输出模块，增强型捕捉单元e c a p ，增强型正交编码电 路e q e p ； ( 1 1 ) 包括1 个串行外设接n ( s p i ) 、2 个u a r t 接口模块( s c l ) 、1 个增强型c a n 2 0 接口模块； ( 1 2 ) 1 6 通道1 2 位模数转换模块，最快转换频率为：1 6 0 n s 6 2 5 m s p s i ( 1 3 ) 高达3 5 个可配置通用目的i o 口引脚； ( 1 4 ) 先进的仿真调试功能，支持分析和断点功能，硬件支持实时仿真功能； ( 1 5 ) 1 0 0 引脚l q f p 封装； 如图2 2 所示，为t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 的资源分配图： 图2 21 m s 3 2 0 f 2 8 0 8 资源分配图 f i g 2 - 2 d i s t r i b u t i o nd i a g r a mo f t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 si e s o u i o 嚣 第2 章送丝控制系统优化设计 2 2 2t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 最小系统 d s p 最小系统是焊接电源数字化控制系统的最核心组成部分，他不仅参与电 源的管理，还要完成电源的控制工作，其工作性能的好坏直接影响到焊接电源的 性能。 最小系统主要包括电源管理部分、时钟电路和复位电路。 d s p 系统一般有两种电压：核供电( 低，多为1 2 ，1 6 ，1 8 和i o ( 高， 多为5 ，3 3 ，2 5 ，两者供电是分开的。 电源加电顺序：核电压要比i o 电压先加载，至少要同时加载。如果i o 电压存 在而核电压不存在，会损害内核。同时电源关闭也应该遵循这样的条件。 时钟电路是最小系统最核心的一个环节，晶振附近电源，地的干净与否直接 关系到系统是不是可以工作，其次，晶振的选择也是重中之重，一要考虑其抗干 扰能力，二要考虑起工作电压，工作电压过高要损坏d s p ，考虑到焊接电源工作 场合环境恶劣，采用了抗干扰能力更强的有源晶振电路，其额定的工作电压为 3 3 v 。 2 2 2 1d s p 系统电源设计d s p 的电源设计是d s p 应用系统设计的一个重要 的组成部分，t i 公司的d s p 家族一般要求有独立的内核电源和i o 电源，由于 d s p 在系统中要承担大量的实时数据计算、因为在其c p u 内部，部件的频率开 关转换会使系统功耗大大增加，所以，降低d s p 内部c p u 供电电压无疑是降低 系统功耗最有效的方法之一。t m s 3 2 0 f 2 8 0 8d s p 的核电压为1 8 v ，i o 电压为 3 3 v ：因此，传统的线性稳压器( 如7 8 x x 系列) 已经不能满足要求，面对这些 要求，t i 公司推出了一些双路低压差电源调整器，即l o wd r o pr e g u l a t o r ，其中 t p s 7 6 7 d 3 0 1 是其最近推出的双路低压差( 且其中一路还可调) 电压调整器，非 常适合于d s p 应用系统中的电源设计，基于此，本文设计了基于t p s 7 6 7 d 3 0 1 的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的电源电路。 t p s 7 6 5 d 3 0 1 的主要特点及引脚功能 t p s 7 6 7 d 3 0 1 是t i 公司推新推出的双路低压差电源调整器，主要应用在需 要双电源供电的d s p 设计中，其主要特点如下： ( 1 ) 带有可单独供电的双路输出，一路固定输出电压为3 3 v ，另一路输出电压可 以调节，范围为1 5 5 5 v ； ( 2 ) 每路输出电流的范围为o - 1 a ； ( 3 ) 电压差大小与输出电流成正比，且在最大输出电流为l a 时，最大电压差仅 为3 5 0 m v ； ( 4 ) 具有超低的典型静态电流( 8 5 0 a ) ， ( 5 ) 每路调整器各有一个开漏复位输出， 器件无效状态时，静态电流仅为l 衅； 复位延迟时间为2 0 0 m s ； 北京t 业大学t 学硕士学位论文 ( 6 ) 2 8 引脚的t s s o pp o w e r p a d 封装形式可保证良好的功耗特性； ( 7 ) 工作温度范m 为- 4 0 c - 1 2 5 0 ，且每路调整器都有温度自动关闭保护功能。 图2 5 为d s p 控制系统的电源电路。 + 钳a 一一一 5 l 玳ll c h r l 2 2 4 一一一t 型1 4 上。1 i 6 l 矾2i o u t l 2 3 lj 纠+ f 1 1 叩l j 甲1 e l f _ = c 1 1 8c1 2 l l i” d n 6 k 9 l h k r hl t 一 0 1 u fi 2 ll 玎n 虻： 一k - j 。t l i1 1 2 1 8 7 i 3 一l ”o t 一 3 a 矗晒i n d 0 - 虹 舭 2 0 u t l 4 2 0 i r r 2 jo l 尉。一。，。l 删型恐 盖范n 羽粼 1 9 r e ：= 一掣：邕- ”h i 2 融 ，a i 如2 8 g n d l r e s e tg n d 2 2 l 丑5 盯 图2 - 3t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 电源电路 f i g2 - 3p o w e rc i r c u i to f t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 1 7 1 0 t l 2 2 2 2 数字p w 模块p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术，即脉宽调制技术， 是一种普遍采用的逆变控制技术。本设计中所选用的d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 ) 部自 带e p w m 生成模块，因此可通过软件编程实现多路p w m 输出，无需再附加其 它元件。每个e p w m 模块包含两路p w m 输出，每个e p w m 模块为p w m 输出 提供宽范围的可编程死区，可以根据需要改变p w m 载波频率，并在每个p w m 周期内，可改变p w m 脉冲宽度。本课题送丝控制需要一路独立的p w m 输出。 2 2d s p 软件编译环境介绍 一套完整的数字化控制系统，光有硬件是不行的，还需要有软件来进行相应 的支持，而且数字化最大的优势就是可以利用软件来进行灵活的控制，可以说软 件是数字化控制系统的灵魂。本章节主要针对所设计的硬件电路以及控制策略进 行相应的软件的编写。 2 2 1开发工具 d s p 控制系统软件的设计，一个重要的步骤就是软件的开发调试。软件的开 发需要一套完整的软、硬件开发工具，本文所用开发工具为t i 公司提供的d s p 集成开发环境c c sv 2 2 1 软件和合众达公司生产的x d s u s b 2 0 仿真器， 第2 章送丝控制系统优化设计 x d s u s b 2 0 仿真器采用u s b 接口，不用外接电源且支持热插拔。图2 6 是 x d s u s b 2 0 仿真器与上位机和目标板的连接图。u s b 电缆一端连接上位机u s b 口，一端连接系统板，然后使用专用的软件就可以实现程序的更新，在u s b 一 端支持热插拔，这样不仅避免了频繁插拔另一连接系统端，导致仿真器的损坏， 同时也提高了系统开发效率。 x d q u s be m u l a t o ri n s t a l l a t i o ng 蛐 图2 _ 4 仿真器与目标板连接图 f i g 2 - 4c o n n e c t i o no ft h ex d s u s be m u l a t o rp o dt oy o u rt a r g e ts y s t e m 2 2 2c c s 软件简介 c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i ov e r s i o n2 2 1 ) 是美国德州仪器公司推出的针对 t m s 3 2 0 系列d s p 控制系统的集成开发环境，它包括源代码编辑工具、可执行 代码生成工具和实时分析工具。该集成开发环境包含软件仿真器( s i m u l a t o r ) 和 硬件仿真器( e m u l a t o r ) 两部分，支持脱机与联机两种仿真方式h 。 c c s 所包含功能有： ( 1 ) 集成可视化代码编辑界面，可直接编写c 、汇编、h 文件、c m d 文件。 ( 2 ) 集成代码生成工具，包括汇编器、优化c 编译器、连接器等。 ( 3 ) 基本调试工具，如装入执行代码( o u t 文件) ，查看寄存器窗口，存储器窗口， 反汇编窗口，变量窗口等，支持c 源代码级调试。 ( 4 ) 支持多d s p 调试。 ( 5 ) 断点工具，包括硬件断点、数据空间读写断点，条件断点( 使用g e l 编写表 达式) 等。 ( 6 ) 探针工具( p r o b ep o i n t s ) ，可用于算法仿真，数据监视等。 ( 7 ) 剖析工具( p r